使用Nuwa TCAD软件仿真和设计InGaAs MUTC-PD器件

GMPT, 2024/08/05

  单行载流子光电二极管(Uni-Traveling-Carrier Photodiode)，简称为UTC-PD，是一种常用的高速光电探测器。在反向偏置下，UTC-PD接收特定波长的光，产生光生电子-空穴对，并将吸收层设置在靠近阳极的p型重掺杂区从而令空穴被阳极快速吸收，大大加快了器件响应速度。而改进型UTC-PD(modified UTC-PD, MUTC-PD)通过采用混合吸收层设计，在保持高速响应的同时，可以有效地提高器件的光响应度，从而提升将光信号转换为电信号的能力。本文将基于Nuwa TCAD软件对InGaAs MUTC-PD进行相关仿真和设计，并展示软件仿真结果。

一、器件结构

图1. InGaAs MUTC-PD结构示意图

  本项工作中，基于文献[1]的InGaAs MUTC-PD结构设计如图1所示。MUTC-PD主要结构层包括：InP衬底，厚度为200 $\mu \backslash mu$m，宽度为28 $\mu \backslash mu$m；厚度为1 $\mu \backslash mu$m，宽度为28 $\mu \backslash mu$m，掺杂浓度为$1\times 10^{19}{cm}^{-3}1\backslash times\; 10^\{19\}\; \{cm\}^\{-3\}$的n型InP作为欧姆接触层；厚度为0.9 $\mu \backslash mu$m，宽度为28 $\mu \backslash mu$m，掺杂浓度为$1\times 10^{16}{cm}^{-3}1\backslash times\; 10^\{16\}\; \{cm\}^\{-3\}$的n型InP作为漂移层；厚度为0.05 $\mu \backslash mu$m，宽度为28 $\mu \backslash mu$m，掺杂浓度为$1.4\times 10^{17}{cm}^{-3}1.4\backslash times\; 10^\{17\}\; \{cm\}^\{-3\}$的n型InP作为悬崖层；两层厚度均为15 nm，掺杂浓度为$1\times 10^{16}{cm}^{-3}1\backslash times\; 10^\{16\}\; \{cm\}^\{-3\}$,截止波长分别为1.1 $\mu \backslash mu$m和1.4 $\mu \backslash mu$m的n型InGaAsP作为平滑势垒层；厚度为0.15 $\mu \backslash mu$m，宽度为28 $\mu \backslash mu$m，掺杂浓度为$1\times 10^{16}{cm}^{-3}1\backslash times\; 10^\{16\}\; \{cm\}^\{-3\}$的n型InGa_0.47As_0.53作为耗尽吸收层; 厚度为0.7 $\mu \backslash mu$m，宽度为28 $\mu \backslash mu$m，掺杂梯度从$5\times 10^{17}{cm}^{-3}5\backslash times\; 10^\{17\}\; \{cm\}^\{-3\}$到$2\times 10^{18}{cm}^{-3}2\backslash times\; 10^\{18\}\; \{cm\}^\{-3\}$的p型InGaAsP作为吸收层; 然后同样是两层厚度均为15 nm，掺杂浓度为$2\times 10^{18}{cm}^{-3}2\backslash times\; 10^\{18\}\; \{cm\}^\{-3\}$,截止波长分别为1.4 $\mu \backslash mu$m和1.1 $\mu \backslash mu$m的p型InGaAsP作为过渡层; 厚度为0.1 $\mu \backslash mu$m，掺杂浓度为$1.5\times 10^{18}{cm}^{-3}1.5\backslash times\; 10^\{18\}\; \{cm\}^\{-3\}$的p型InP作为阻挡层; 以及厚度为0.05 $\mu \backslash mu$m，宽度为28 $\mu \backslash mu$m，掺杂浓度为$2\times 10^{19}{cm}^{-3}2\backslash times\; 10^\{19\}\; \{cm\}^\{-3\}$的p型InGaAs作为欧姆接触层。

二、物理模型设置

2.1. 载流子输运模型 $$R_{qw}=\frac{n-n_0}{\tau }R\_\{q\; w\}=\backslash frac\{n-n\_0\}\{\backslash tau\}$$

$$\frac{1}{\tau }=\frac{1}{{\tau }_{300}}{e}^{(-\frac{T-300}{t_0})}\backslash frac\{1\}\{\backslash tau\}=\backslash frac\{1\}\{\backslash tau\_\{300\}\}\; e^\{\backslash left(-\backslash frac\{T-300\}\{t\_0\}\backslash right)\}$$ $$\frac{d{n}_t}{dt}=-\frac{n_t}{{\tau }_{interb}}+J_{in}+J_{out}-J_{fesc}\backslash frac\{d\; n\_t\}\{d\; t\}=-\backslash frac\{n\_t\}\{\backslash tau\_\{interb\; \}\}+J\_\{in\; \}+J\_\{out\; \}-J\_\{fesc\; \}$$ $$J_{fesc}=\frac{F_{esc}{n}_t{V}_{fesc}}{d};{\tau }_{fesc}=\frac{d}{V_{fesc}{F}_{esc}}J\_\{fesc\}=\backslash frac\{F\_\{e\; s\; c\}\; n\_t\; V\_\{f\; e\; s\; c\}\}\{d\};\backslash quad\; \backslash tau\_\{fesc\; \}=\backslash frac\{d\}\{V\_\{fesc\; \}\; F\_\{esc\; \}\}$$

2.2. 连续性方程

2.3. 泊松方程 $$-\mathrm{\nabla }\cdot \left(\frac{{ϵ}_0{ϵ}_{dc}}{q}\mathrm{\nabla }V\right)=-n+p+N_D(1-f_D)-N_A{f}_A+\sum _j{N}_{tj}({\delta }_j-f_{tj})-\backslash nabla\; \backslash cdot\backslash left(\backslash frac\{\backslash epsilon\_0\; \backslash epsilon\_\{d\; c\}\}\{q\}\; \backslash nabla\; V\backslash right)=-n+p+N\_D\backslash left(1-f\_D\backslash right)-N\_A\; f\_A+\backslash sum\_j\; N\_\{t\; j\}\backslash left(\backslash delta\_j-f\_\{t\; j\}\backslash right)$$

2.4. 俄歇复合模型 $$R_{au}=(C_{n}n+C_{p}p)(np-n_i^2)R\_\{a\; u\}=\backslash left(C\_\{n\}\; n+C\_\{p\}\; p\backslash right)\backslash left(n\; p-n\_\{i\}^\{2\}\backslash right)$$

2.5. SRH复合模型

三、结果与讨论

3.1 能带结构

图2. MUTC-PD （a）能带结构示意图 （b）仿真得到的能带结构图

  图2（a）为MUTC-PD器件的能带结构示意图，图2（b）为Nuwa仿真得到的能带结构图。当MUTC-PD工作在反向偏压下时，入射光被吸收层吸收并产生光生电子-空穴对。光生空穴通过介电弛豫的方式被p收集层收集，p型重掺杂InP阻挡层使光生电子无法向p收集层扩散，而是在电场作用下单向渡越至n收集层，这也是其单行载流子名称的由来。

3.2 入射光的吸收率

图3. MUTC-PD（a）光生载流子生成率分布状态（b）垂直方向的光生载流子生成率

  图3（a）和（b）展示了MUTC-PD器件在光照下的光生载流子生成率分布状态。本文选用的入射光波长为1550 nm，入射方式为背入射。由于InP材料的截止吸收光波长为950 nm，因此几乎不吸收1550 nm的光信号。入射光在穿透过InP衬底与收集层后，达到InGaAs吸收层，其禁带宽度为0.75 eV，对应的截止吸收波长为1670 nm，故可以吸收波长更短的1550 nm光信号。从图中也可以看到，InGaAs吸收层以外的区域的光生载流子生成率几乎为零，并且随着光入射距离加深，其生成率逐渐降低。

3.3 n型吸收层结构

图4. 含有n型吸收层和未含有n型吸收层的（a）光电流 （b） 响应度

  MUTC-PD相较于普通UTC-PD的不同在于其吸收层包括两部分，其中靠近p型InP阻挡层的为p型重掺杂吸收层，另一层为n型轻掺杂层作为耗尽吸收层。该耗尽吸收层的主要作用是为了在增加吸收层厚度提高直流响应度的同时，仍可以保持较高的器件响应速度。如图4（a）和（b）所示，含有吸收层的MUTC-PD具有更大的光电流和响应度，证明其有更好的直流响应度。但是过厚的n型吸收层会加大该区域光生空穴的渡越时间，从而影响器件的高频特性，因此该n型吸收层的厚度与掺杂浓度是优化MUTC-PD性能的重要参数。

3.4 悬崖层结构

图5. （a） 未添加悬崖层的电场强度 （b）添加悬崖层的电场强度

  悬崖层是指靠近 InGaAsP 过渡层一侧的n型重掺杂InP收集层，用于提高InGaAsP过渡层的电场强度。在MUTC-PD结构中，InGaAs吸收层与InP收集层之间存在异质结势垒，其会造成载流子的堆积，影响器件的高频响应，而悬崖层结构可以引入高电场，有助于电子从吸收层注入收集层。图5（a）为未添加悬崖层的器件电场强度，图5（b）为添加悬崖层的器件电场强度，其电场强度有了明显的提升。

3.5 体陷阱与界面陷阱对器件的影响

图6. 10V反向偏置下，添加体陷阱，添加界面陷阱和未添加陷阱器件的（a）暗电流（b）光电流，（c）响应度

  图6（a），（b）和（c）分别展示了在10V反向偏置下，未添加陷阱器件，添加界面陷阱器件与体陷阱器件的暗电流，光照条件下的电流以及光响应度。从图6（a）中可以看出，当器件处于理想状态时，其暗电流值可忽略不计，而在分别添加界面陷阱和体陷阱后，其暗电流有了明显的升高，并且其值均在0.025到0.03 A/mm范围内。在Nuwa TCAD软件中，可以仿真不同光功率下器件的响应，软件会按比例sweep至设定的目标值。本文采用的光功率为$3.5\times 10^{8}3.5\backslash times\; 10^\{8\}$A/m²，照射面积为28 $\mu \backslash mu$m²。图6（b）显示添加界面陷阱的光电流相较于未添加任何陷阱的器件仅降低了2%，而添加体陷阱的光电流则降低了近60%。图6（c）也可以看出体陷阱对光响应度的影响远大于界面陷阱。上述仿真结果说明，相对于界面陷阱，体陷阱不仅影响暗电流，同时还对器件光电流有极大的影响，并且极大地降低器件的直流响应度。因此在实际器件制备中，在关注异质界面质量的同时更应优化材料制备和工艺参数从而尽可能减小体陷阱引起的器件性能退化。

3.6 参数校准

图7. （a）光响应度（b）光电流

  图7（a）和（b）分别展示了MUTC-PD器件的光响应度和光电流随着光功率增加的变化趋势。可以发现响应度逐渐降低而光电流趋向于饱和，这是由于随着入射光功率逐渐加大，器件内的光生电流不断增加，大量的光生载流子因无法及时通过电极转移到外部电路而堆积在器件内部，成为空间电荷，从而减弱器件原有的电场强度^[2]。在Nuwa TCAD 软件中可以很方便的查看不同光功率下电子浓度的分布情况，如图8所示，分别采用$3.5\times 10^{6}3.5\backslash times\; 10^\{6\}$ A/m²和$3.5\times 10^{8}3.5\backslash times\; 10^\{8\}$ A/m²光照条件进行仿真，在高光功率的情况下，InGaAsP势垒过渡层出现了显著的载流子堆积现象。此外，通过优化和校准参数，仿真得到的光响应度为0.76 A/W，饱和光电流值为$2.02\times 10^{-4}2.02\backslash times\; 10^\{-4\}$ A/$\mu \backslash mu$m ²，而文献中分别为0.75 A/W 和$2.08\times 10^{-4}2.08\backslash times\; 10^\{-4\}$ A/$\mu \backslash mu$m²，仿真结果与文献基本一致。

图8. 不同光照强度下的势垒层载流子分布

图9. （a）暗电流（b）高频特性

  图9（a）为器件在反向偏置下的暗电流，根据前文所述，通过添加界面陷阱可以调整暗电流值，仿真得到暗电流为814 pA/$\mu \backslash mu$m²，而文献中为812 pA/$\mu \backslash mu$m²，证明仿真得到的暗电流与文献基本一致。图9（b）为器件的高频响应特性，其主要取决于载流子渡越器件产生的延时效应与器件工作时外部负载产生的RC充电效应。在仿真中，因不考虑外部RC充电效应，因此仿真得到的3dB带宽为31.57 GHz，略大于文献中的28 GHz。

四、总结

  综上所述，本文采用Nuwa TCAD软件对文献[1]中的InGaAs MUTC-PD器件的能带图，载流子浓度，响应度，暗电流，饱和光电流，高频响应等特性进行了全面的计算，以及分析讨论了n型吸收层和悬崖层对器件的影响，并于文献中的结果进行了比较，证明仿真结果十分准确。此外还通过仿真分析了界面陷阱和体陷阱对器件暗电流和响应度及光电流的影响。本文仿真结果为进一步优化InGaAs MUTC-PD器件结构及改善其光电特性提供了理论支撑。

参考文献

[1] Xie, Xiaojun, et al. "Improved power conversion efficiency in high-performance photodiodes by flip-chip bonding on diamond." Optica 1.6 (2014): 429-435.
[2] Peng, Yiwei, et al. "High-speed and high-power MUTC photodiode working at 1064 nm." IEEE Photonics Technology Letters 31.19 (2019): 1584-1587.